The fraction of periodic SN Ib/c light curves

عندما ينفد الوقود من نجم ضخم، فإنه ينهار وينفجر، مرسلاً ومضة ضوء ساطعة عبر الكون. هذه الانفجارات، المعروفة باسم المستعرات العظمى (supernovae)، تعد من بين أكثر الأحداث طاقة في الطبيعة. لفترة طويلة، اعتقد علماء الفلك أن الضوء الناتج عن هذه الانفجارات يتلاشى ببساطة في منحنى سلس ومتوقع، مثل شمعة تحترق حتى تنتهي. ومع ذلك، كشفت الملاحظات الأخيرة أن بعض هذه النجوم الميتة لا تتلاشى بهدوء؛ بل إن سطوعها يتذبذب صعوداً وهبوطاً في نمط منتظم أثناء خبو ضوئها. هذا النبض الإيقاعي هو ظاهرة نادرة ومحيرة، ويشير إلى أن النجم المنفجر لم يكن وحيداً؛ فمن المرجح أنه كان لديه نجم مرافق يدور حوله. ومع حدوث الانفجار، ربما تفاعل اللب الكثيف الجديد المتبقي مع هذا المرافق، مما خلق حالة من "شد وجذب" جاذبي تسببت في نبض الضوء. إن فهم مدى تكرار حدوث ذلك يساعد العلماء في معرفة عدد النجوم التي تعيش في أزواج وكيفية تطورها قبل أن تموت.

قرر فريق من الباحثين في معهد وايزمان للعلوم إلقاء نظرة منهجية على هذا السلوك. أرادوا معرفة ما إذا كانت هذه الانفجارات النابضة مجرد حوادث غريبة قليلة أم أنها تمثل مجموعة كبيرة من المستعرات العظمى. ولأجل ذلك، لجأوا إلى "منشأة زويكي العابرة" (Zwicky Transient Facility)، وهو تلسكوب قوي في كاليفورنيا يمسح السماء كل ليلة، ملتقطاً آلاف المصادر الضوئية المتغيرة. ركز الفريق على نوع محدد من المستعرات العظمى يسمى النوع (Ib) أو (Ic). وهذه هي انفجارات النجوم التي فقدت بالفعل طبقاتها الخارجية من الهيدروجين والهيليوم، غالباً بسبب نجم مرافق جردها منها قبل الانفجار. جمع الباحثون "المنحنيات الضوئية"، وهي سجلات لكيفية ظهور سطوع هذه النجوم بمرور الوقت، لـ أربعة وثلاثين مرشحاً مختلفاً. كانوا بحاجة إلى بيانات عالية الجودة تحتوي على ما يكفي من القياسات لرصد نمط ما، لذا اختاروا فقط تلك الأحداث التي راقب فيها التلسكوب النجم لفترة كافية والتقط عدداً كافياً من الصور.

ولإيجاد الإيقاعات الخفية في البيانات، بنى الفريق طريقة حاسوبية جديدة كانت أكثر دقة من المحاولات السابقة. فبدلاً من تنعيم عملية التلاشي العامة للنجم أولاً ثم البحث عن التذبذبات في البقايا، عاملت طريقتهم التلاشي والتذبذبات كمسألة واحدة متصلة. لقد طابقوا منحنى رياضياً مع التراجع العام للضوء بينما كانوا يختبرون في الوقت ذاته وجود نمط موجي متكرر. ومنعت هذه الطريقة الحاسوب في إخفاء إشارة حقيقية عن طريق التنعيم المبكر جداً. طبقوا هذا الاختبار الصارم على كل منحنى ضوئي في عينتهم، بحثاً عن أي فترة تكرار تبرز بوضوح عن الضجيج العشوائي. كما وضعوا معياراً عالياً جداً لما يعتبر اكتشافاً، حيث اشترطوا أن يظهر النمط بوضوح في لونين مختلفين من الضوء يرصدهما التلسكوب، لضمان أن الإشارة حقيقية وليست مجرد خلل في البيانات.

أسفر البحث عن ثلاث نتائج واضحة. اثنان منها كانا لنجوم تم تحديدها بالفعل من قبل علماء فلك آخرين على أنها تمتلك هذا السلوك النابض: SN 2022jli وSN 2022esa. نجحت طريقة الفريق في استعادة الأنماط المعروفة في هذين النجمين، مما أكد نجاح نهجهم الجديد. أظهر SN 2022jli نبضاً كل اثني عشر يوماً تقريباً، بينما نبض SN 2022esa كل ستة وثلاثين يوماً تقريباً. لكن الاكتشاف الأكثر إثارة كان النجم الثالث، SN 2020sgf، الذي لم يتم تصنيفه سابقاً كمرشح دوري. أظهر هذا النجم، الذي انفجر في عام 2020، نمطاً متكرراً واضحاً يبلغ حوالي ثلاثين يوماً في لون واحد من الضوء وحوالي ستة وثلاثين يوماً في لون آخر. وبينما اختلف التوقيت الدقيق قليلاً بين اللونين، إلا أن الاختلاف كان صغيراً بما يكفي ليكون متسقاً مع نفس الإيقاع الأساسي. أضاف هذا الاكتشاف عضواً جديداً إلى النادي الصغير للمستعرات العظمى النابضة.

لفهم ما تعنيه هذه الاكتشافات الثلاثة بالنسبة للمجتمع الأوسع من النجوم المنفجرة، كان على الباحثين مراعاة قيود بحثهم. فقد أدركوا أن تلسكوبهم لا يمكنه رؤية كل الإيقاعات الممكنة. فإذا نبض النجم ببطء شديد، أو إذا كان النبض خافتاً جداً، فقد يفوته التلسكوب تماماً، خاصة إذا تلاشى النجم بسرعة كبيرة أو كان محجوباً بوهج الشمس خلال جزء من السنة. ولقياس هذه "النقطة العمياء"، أجروا آلاف المحاكاة الحاسوبية؛ حيث أخذوا البيانات الفعلية من نجومهم الأربعة والثلاثين وأضافوا إليها سراً إشارات نبض وهمية بقوى وسرعات مختلفة. ثم قاموا بتشغيل طريقة الكشف الخاصة بهم على هذه البيانات المعدلة ليروا كم مرة ستجد الإشارات الوهمية. أنتجت هذه العملية خريطة لحساسيتهم، توضح بدقة أنواع النجوم النابضة التي يمكنهم رصدها وتلك التي سيخطئونها على الأرجح.

ومع الحصول على خريطة الحساسية هذه، قارن الفريق نتائجهم بالنماذج النظرية لكيفية سلوك النجوم في الأنظمة الثنائية. تتنبأ هذه النماذج بأن نسبة مئوية معينة من مستعرات (stripped-envelope) يجب أن تظهر هذا السلوك النابض نتيجة التفاعلات مع نجم مرافق. وجد الباحثون أنه لو كان جزء ضئيل فقط من هذه النجوم ينبض، لكان من غير المرجح جداً أن يجدوا ثلاثة منها في عينتهم. حقيقة عثورهم على ثلاثة تشير إلى أن العدد الحقيقي أعلى. يشير تحليلهم إلى أن النماذج التي تتنبأ بأن حوالي عشرين بالمائة من هذه المستعرات العظمى تكون دورية تتوافق مع ملاحظاتهم. وهذا يعني أن هذه الانفجارات الإيقاعية ليست حالات شاذة نادرة للغاية، بل من المرجح أنها تمثل مجموعة فرعية كبيرة من النجوم الميتة، ربما واحد من كل خمسة، تتفاعل مع مرافق في لحظات حياتها الأخيرة.

كما سلطت الدراسة الضوء على أهمية النظر إلى البيانات بعيون جديدة. لاحظ الباحثون أن اثنتين من الفترات التي وجدوها كانت قريبة من دورة القمر البالغة تسعة وعشرين يوماً ونصف اليوم. ورغم أن ضوء القمر يمكن أن يخلق أحياناً أنماطاً زائفة في بيانات التلسكوب، إلا أن الفريق لم يجد أي دليل على أن اكتشافاتهم كانت ناتجة عن هذا التأثير. كانت الإشارات قوية ومتسقة عبر ألوان مختلفة من الضوء، مما يشير إلى سبب فيزيائي داخل النجوم نفسها. يوضح هذا العمل أنه باستخدام الأدوات المناسبة وعينة كبيرة بما يكفي، يمكن لعلماء الفلك تجاوز دراسة الأجسام الغريبة الفردية إلى فهم المجتمع الأوسع. إن اكتشاف SN 2020sgf، جنباً إلى جنب مع تأكيد الآخرين، يشير إلى أن الكون مليء بهذه التفاعلات الثنائية، وهي تنتظر من يجدها في الجيل القادم من مسوحات السماء.